Физики создали сверхэкономичный преобразователь света на базе графена

Американские и сингапурские физики создали экспериментальный прототип устройства на основе графена, способного манипулировать свойствами света, в том числе превращать его в микроволновое излучение, и при этом потреблять в 50 раз меньше энергии, чем его кремниевые аналоги. «Демонстрация экономности нашего графен-кремниевого фотонного чипа является важным шагом на пути создания полностью оптических электронных приборов, необходимых для улучшения скорости и эффективности обмена данными. И к тому же, нам было крайне интересно изучить „магические“ свойства графена — его уникальную электропроводность и то, как графен может усилить оптическую нелинейность — свойство материала, необходимое для создания оптических „переключателей“ и цифровой памяти», — пояснил Тин-и Гу (Tingyi Gu) из Колумбийского университета в Нью-Йорке (США).

Гу и его коллеги изучали оптические свойства тонких пленок графена, соединенных с фотонными кристаллами из кремния. Фотонный кристалл представляет собой мозаику из множества наночастиц с разными оптическими свойствами. Такая конструкция превращает его в среду с избирательной оптической проводимостью — волны света определенной длины свободно в нем распространяются, тогда как другие отражаются. Физики используют такие кристаллы для «складывания» отдельных фотонов, их усиления и превращения видимого света в другие виды электромагнитного излучения.

Ученые изготовили фотонный кристалл из кремния — плоскую решетку из кремния, испещренную большим количеством цилиндрических отверстий диаметром в 124 нанометра. Как объясняют ученые, такая конструкция кристалла позволяет ему «складывать» четыре фотона инфракрасного излучения с длиной волны в 1,5 микрометра. Такие волны используются для передачи информации в волоконно-оптической связи. Затем физики наклеили на кристалл пленку из графена с большим количеством «дефектов» — чужеродных атомов — и осветили устройство при помощи инфракрасного лазера. Оказалось, что такая конструкция меняет свои свойства, в том числе силу испускаемого излучения и параметры преобразования света, в зависимости от интенсивности и длины волны лазера.

Как утверждают Гу и его коллеги, это позволяет гибко управлять свойствами фотонного кристалла и использовать его для создания сложных опто-электронных приборов. Кроме того, графеново-кремниевый «фотонный чип» потребляет примерно в 50 раз меньше энергии входящего излучения на преобразование света по сравнению с лучшими кремниевыми приборами такого рода. По словам ученых, их изобретение поможет улучшить скорость передачи информации уже в ближайшее время, а в перспективе результаты исследования могут быть использованы при создании оптических вычислительных устройств.